Metformina como un agente anti-inflamatorio

La metformina es una droga biguanida ampliamente prescrita internacionalmente como agente antihiperglucémico oral y es recomendada como la droga inicial para la diabetes tipo 2 (DT2) de acuerdo con la guía clínica Europea-Americana. La metformina ha sido usada en el tratamiento de la DT2  desde 1958 cuando fue introducida por primera vez en la práctica clínica en Europa. Otros dos compuestos biguanidas, fenformina y buformida, fueron usados ampliamente en los años 70s debido a sus efectos antihiperglucémicos más potentes hasta que fueron discontinuados en muchos países por el riesgo de acidosis láctica severa. Todas las biguanidas derivan de la guanidina, galegina y otros compuestos  relacionados extraídos de la planta Galega officinalis. Esta planta ha sido usada desde tiempos medievales como una medicina para síntomas relacionados con la diabetes como excesiva sed y poliuria. A medida que progresa la investigación de los mecanismos moleculares de la metformina, surgen aplicaciones en condiciones diversas como cáncer, enfermedad  hepática grasa no alcohólica y síndrome de ovarios poliquísticos, aunque la evidencia clínica que apoya el uso de metformina en estas enfermedades es escasa. La metformina también ha sido propuesta como una droga anti-envejecimiento basada en observaciones de incremento en la longevidad en algunos, pero no todos, animales tratados con  metformina. Uno de los aspectos más ampliamente estudiados  de los efectos no glucémicos de la metformina es su acción sobre células inmunes y procesos inflamatorios.

   La dosis diaria de metformina usada en el tratamiento de la DT2 típicamente es de 1-3 g dividida en dos o tres dosis tomadas oralmente con las principales comidas. La absorción ocurre primariamente en el intestino delgado la droga es ampliamente distribuida en los tejidos del cuerpo como hígado y riñón donde la captación es mediada grandemente por varios transportadores de cationes orgánicos. La droga es excretada sin cambios en la orina con una vida media de eliminación de alrededor de cinco horas en sujetos con función renal normal. Aunque el riesgo es mucho más pequeño que para otras biguanidas, la acumulación de metformina en el cuerpo existe el riesgo de acidosis láctica.  La metformina es, por tanto, contraindicada en casos con una tasa de filtración glomerular (TFG) <30 ml/min/1,73m2 y una reducción de la dosis es necesaria en niveles de TFG de 30-60 ml/min/1,73m2. Adicionalmente, la función hepática alterada es también una contraindicación para la metformina y puede incrementar el riesgo de acidosis láctica.

   El efecto de la metformina para bajar la glucosa sanguínea es primariamente mediado por la supresión de la producción hepática de glucosa. La metformina se acumula en las mitocondrias, preferencialmente en hepatocitos, e inhibe parcialmente al complejo 1 de la cadena respiratoria mitocondrial. Esto causa la acumulación intracelular de AMP, el cual a su vez activa a la quinasa activada por AMP (AMPK) y provoca la inhibición de la gluconeogénesis a través de varias rutas de señalización. Algunos estudios sugieren otros mecanismos incluyendo  la inhibición directa de la enzima  glicerol 3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial provocando un incremento en los niveles de NADH y alteración del estado redox en los hepatocitos. Esto también puede contribuir a un incremento en la secreción  de péptido similar a glucagón-1 (GLP-1) y disminución de la gluconeogénesis en las células intestinales. Hay también estudios que sugieren un incremento en la utilización local de glucosa del intestino, así como también una potenciación de la captación de glucosa mediada por insulina en músculo esquelético. Una investigación reciente también postula una relación entre tratamiento de metformina y un cambio en la microbiota intestinal, efectos posiblemente mediados a través del incremento en los niveles intestinales del ácido biliar ácido glucursodeoxicólico y antagonismo del receptor farsenoide X.

   La obesidad está relacionada con inflamación  de bajo grado crónica en el tejido adiposo que contribuye a la resistencia a la insulina y al desarrollo de la DT2. La inflamación de bajo grado puede representar una manera efectiva de tratar estas condiciones de comorbilidad. Varios modelos de inflamación en el tejido adiposo han sido usados para estudiar los efectos de la  metformina. En un modelo de ratón con lupus eritematoso sistémico se demostró que la metformina puede aumentar las funciones inmunorreguladoras de las stem cells mesenquimales derivadas de tejido adiposo. La activación de AMPK por la metformina provoca la inhibición del blanco de rapamicina (mTOR) y la activación del transductor de señal y activador de la transcripción 1 (STAT1). Las características de la nefritis lúpica en los animales, como proteinuria y producción de anti-dsADN IgG mejoraron significativamente. En el tejido adiposo parapancréatico de ratas, la activación de AMPK mediada por metformina inhibe la señal mTOR, lo cual provoca una disminución en los niveles de las citoquinas inflamatorias interleuquina (IL) 1β e IL17A. La metformina también induce la expresión de FOXP3 (forhead box P3), un regulador master de células T reguladoras (Treg), las cuales pueden modular respuestas inflamatorias y mejoran la severidad de enfermedades autoinmunes en modelos animales. En un modelo de ratón, la metformina incrementó la actividad AMPK en tejido adiposo perivascular, provocando un incremento en la expresión de sirtuina 1, la cual está asociada con mejoría de la sensibilidad a la insulina y disminución de la fosforilación del factor nuclear kappa B (NFκB) p65, provocando disminución de citoquinas inflamatorias como factor de necrosis tumoral α (TNF-α), IL-6 y proteína C reactiva. Adicionalmente, los niveles de adiponectina, hormona anti-inflamatoria derivada de los adipocitos, aumentaron y los signos de disfunción endotelial mejoraron. Otro efecto mediado por AMPK demostrado en ratones es la inhibición de la  fisión mitocondrial por la proteína relacionada con dinamina 1 (Drp1) que previene la activación inducida por estrés de la  familia NLR conteniendo dominio piridina 3 (NLRP3). El inflamasoma NLRP3 está relacionado con el inicio y mantenimiento de la inflamación a través de la activación de IL-1β.

   Otros estudios han identificados efectos de la metformina independientes de AMPK. En ratas tratadas con metformina y en tejido adiposo incubado con metformina, los niveles del factor inducible por hipoxia 1α (HIF-1α) y los marcadores de fibrosis disminuyeron. En experimentos con cultivos de adipocitos, la metformina disminuye la fosforilación de la quinasa c-Jun-N-terminal (JNK) p46 y la expresión de los genes de IL-1β y TNFα inducida por lipopolisacáridos. Estos efectos anti-inflamatorios son mediados por la 6-fosfofructoquinasa-2 inducible (iPFK2). En ratones obesos por dieta rica en grasas, la metformina no solo redujo las citoquinas inflamatorias comunes como TNFα, IL-1β e IL-6 sino también contrarrestó la infiltración de macrófagos y la polarización de M1 a M2.

   La isquemia aguda de miocardio y el desarrollo de insuficiencia cardiaca crónica están asociadas con mala adaptación de las respuestas inflamatorias. La metformina exhibe varios efectos anti-inflamatorios en modelos animales. En ratones, la metformina inhibe la migración de fibroblastos cardiacos inducida por aldosterona in vitro y reduce la fibrosis cardiaca in vivo. Este efecto es mediado a través de la activación de AMPK y la inhibición de la proteína 2 que interactúa con TRAF3 (TRAF3IP2), una importante molécula adaptadora que responde al estrés oxidativo  que puede inducir citoquinas pro-inflamatorias como IL-17, IL-18 e IL-6. En estudios con ratones con lesión cardiaca por isquemia-reperfusión, la metformina activa la AMPK y suprime la actividad del inflamasoma NLRP3 en macrófagos, lo cual aumenta la autofagia. Otro resultado clave de la activación de AMPK por la metformina es la inhibición del receptor similar a Toll 4 (TLR4), provocando una disminución significativa de los niveles de citoquinas pro-inflamatorias y la atenuación de la disfunción del ventrículo izquierdo en modelos de ratones de infarto de miocardio. Otros estudios demuestran que la metformina  puede inhibir la apoptosis de cardiomiocitos activando la ruta de señalización Janus quinasa 2/transductor de señal y activador de la transcripción 3 (JAK2/STAT3) y activación de la pirofosfatasa mitocondrial PPA2 independientemente de la ruta  glucógeno sintetasa quinasa 3 beta/leucemia de células mieloides 1 (GSK3β/MCL1). La metformina también actúa sobre el tejido adiposo del epicardio reduciendo la inflamación y regulando la señal adiponectina, lo cual previene la fibrilación auricular.

   La ateroesclerosis es considerada una enfermedad inflamatoria crónica, con acumulación de lipoproteínas de baja densidad (LDL) colesterol en la pared vascular disparando varias respuestas inmunes y la formación de placas ateroescleróticas. Los efectos de la metformina sobre las células de los vasos sanguíneos han sido extensamente investigados. Un importante efecto anti-inflamatorio es la inhibición de la señal TNF-α/NFκB. La activación de AMPK en células endoteliales puede ser aumentada por la activación de la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K). Otro efecto de la actividad AMPK inducida por la metformina parece ser la inhibición de la proteína ligadora del elemento de  respuesta de  carbohidratos (ChREBP)  y FOXO1 (forkhead box protein O1), provocando disminución de la expresión de la proteína que interactúa con tioredoxina (TXNIP), lo cual a su vez reduce el estrés  oxidativo celular y podría ejercer un efecto protector en el endotelio vascular. La evidencia reciente también indica el rol de la metformina y la AMPK en promover el flujo autofágico para contrarrestar la acumulación intracelular de lípidos y por consiguiente reducir las respuestas inflamatorias.

   En células de músculo liso vascular inhibe la activación inducida por IL-1β del NFκB, la MAP quinasa Akt, p38 y Erk. La acción de la AMPK inducida por metformina resulta en activación de homólogo de fosfatasa y tensina (PTEN), un conocido regulador negativo de PI3K, y la supresión de la cascada de señalización pro-inflamatoria TNF-α/NFκB.

Varios modelos animales muestran efectos beneficiosos de la metformina sobre la inflamación vascular asociada con ateroesclerosis. Por ejemplo, en ratones con ateroesclerosis tratados con metformina, la activación de la AMPK reduce la expresión de Drp-1, el cual suprime la fisión mitocondrial,  atenúa el estrés oxidativo, mejora la disfunción endotelial e inhibe la inflamación endotelial.  En ratas hipertensas, la metformina exhibe efectos anti-inflamatorios reduciendo los niveles plasmáticos de TNF-α y la expresión de NADPH oxidasa 2 (NOX2) y ciclooxigenasa 2 (COX2) en los tejidos, mientras mejora parámetros de disfunción autónoma cardiaca. En ratas alimentadas con dieta rica en grasas, la metformina puede ejercer efectos anti-inflamatorios sobre el endotelio vascular incrementando los niveles de miARN146a  y miARN155, los cuales a su vez disminuyen la expresión de la quinasa 1 asociada a receptor de IL-1 (IRAK1), el factor 6 asociado al receptor de TNF (TRAF6) y NFκB p65. Estas moléculas son componentes cruciales de la ruta pro-inflamatoria NFκB. El análisis de las placas ateroescleróticas revela disminución significativa en el contenido de macrófagos en los animales tratados con metformina y atenuación de las citoquinas pro-inflamatorias proteína quimioatrayente de monocitos 1 (MCP1), IL-6 y TNF-α.

   Los macrófagos y los monocitos son células del sistema inmune innato que juegan un rol crucial en la defensa del huésped contra los patógenos. Varios efectos de la metformina sobre estas células han sido descritos. En un estudio con macrófagos de ratón, el tratamiento con metformina de macrófagos estimulados por lipopolisacáridos indujo la activación de AMPK, la supresión de la ruta NFκB y la reducción de la expresión de las quimioquinas MCP1, dominio C-X-C  de ligando de quimioquina 10 (CXCL10) y CXCL11. La activación de la AMPK por la metformina contrarresta el efecto de los productos finales de glicación avanzada (AGE) en promover la inflamación a través de la ruta  receptor AGE (RAGE)/NFκB y también para inducir la polarización de macrófagos M2. Los macrófagos M2 ayudan a resolver la inflamación y promover la tolerancia inmune. Los experimentos también han demostrado el rol de la AMPK en el incremento de la expresión del factor de transcripción activado 3 (ATF3), el cual puede reducir la expresión de IL-6 y TNF-α y también reducir la inflamación por activación de macrófagos atenuados. Los efectos de la metformina para inhibir a la sintetasa de óxido nítrico inducible (iNOS) y por tanto reducir la formación de ROS parecen ser independiente de AMPK. Otro efecto de la metformina independiente de AMPK es la unión directa a –e inhibición de- alarmina HGMB1 (high mobility group box 1) que induce inflamación estimulando varios receptores como TLR4 y RAGE. En monocitos humanos, la metformina exhibe fuertes efectos estimuladores sobre la expresión de la proteína chaperona mitocondrial proteína de shock térmico 60 (HSP60). En macrófagos, la regulación a la baja de HSP60 ha sido asociada con un incremento en la acumulación de LDL oxidada y la polarización de macrófagos M1, lo cual podría contribuir significativamente al proceso de ateroesclerosis en los vasos sanguíneos.

   Las células T, las células B y las células presentadoras de antígenos (APC) juegan un rol central en la inmunidad adaptativa. La respuesta disfuncional de estas células ha sido implicada en una variedad de enfermedades autoinmunes. En células T de ratón, la metformina exhibe efectos antioxidantes reduciendo la peroxidación intracelular de lípidos e incrementando los niveles de glutatión, lo cual resulta en inhibición de la proliferación de células T. Las APC como las células dendríticas juegan un importante rol en la activación de células T y las respuestas primarias de las células T. En células dendríticas de ratón, la metformina suprime la expresión de moléculas MHC y factores co-estimuladores como CD54, CD80 y CD86.

   Un estudio en ratones con insulitis autoinmune, un modelo de diabetes tipo 1, demostró que la metformina reduce la  severidad de la insulitis suprimiendo la proliferación  de las células pro-inflamatorias Th1 y Th17 y promoviendo el desarrollo de células Treg. Este efecto de la metformina es mediado a través de la activación de  AMPK y la posterior inhibición de la señal mTOR/HIF-1α. Hallazgos similares han sido demostrados en ratones con encefalomielitis autoinmune. En la artritis autoinmune, la metformina no solo afecta favorablemente el balance Th17/Treg, también promueve la diferenciación de tejido adiposo, induce la expresión de factor de crecimiento de fibroblasto 21 (FGF21), suprime la osteoclastogénesis y corrige el flujo autofágico alterado.

   En conclusión, la metformina es una droga biguanida que ha sido usado por varias décadas en el tratamiento de la DT2, pero sus mecanismos moleculares de acción  han sido explorados solamente en las últimas décadas. Su efecto en la disminución de la glucosa sanguínea está principalmente relacionado con la supresión de la gluconeogénesis en el hígado. A nivel celular, la metformina exhibe acciones anti-inflamatorias que son debidas, en gran parte, a sus efectos para modular la función mitocondrial e incrementar los niveles intracelulares de AMP y, por tanto, activando la AMPK. Varios efectos anti-inflamatorios locales y sistémicos de la metformina han sido descritos. Muchos de estos efectos son mediados por la activación de la AMPK y la inhibición de cascadas de señalización pro-inflamatorias mTOR y NFκB.  Sin embargo, varios efectos que son independientes de AMPK también han sido descritos.

Fuente: Kristófi R, Eriksson JW (2021). Metformin as an anti-inflammatory agent: a short review. Journal of Endocrinology 251: R11-R22.